交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化在城市交通規(guī)劃中的應(yīng)用

張?jiān)娢?、齊濤

（中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市交通問題越發(fā)突出，如交通擁堵、交通事故頻發(fā)、空氣污染等，給民眾的出行和生活帶來了巨大的困擾。為了解決這些問題，需要優(yōu)化城市交通規(guī)劃，改善城市交通狀況。傳統(tǒng)的城市交通規(guī)劃主要關(guān)注交通設(shè)施建設(shè)和交通管理方案，忽視交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化。而交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化作為一種新興的研究領(lǐng)域，旨在通過優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和布局，提高交通系統(tǒng)的效率和可靠性。它將交通規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和優(yōu)化方法相結(jié)合，通過調(diào)整道路布局、交叉口設(shè)置和信號控制等手段，優(yōu)化交通流動的路徑選擇和流量分配，能夠提高交通網(wǎng)絡(luò)的整體性能和通行效率。

1 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化概述

1.1 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠x

交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵赋鞘薪煌ㄏ到y(tǒng)中各個交通要素之間的連接關(guān)系和布局形式，包括道路網(wǎng)絡(luò)、交通節(jié)點(diǎn)、交叉口、路段以及其他交通設(shè)施的組織和配置方式。交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋隽私煌ㄒ刂g的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即它們?nèi)绾蜗嗷ミB接和組織在一起，形成城市交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)。

在交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，道路網(wǎng)絡(luò)是其中最重要的組成部分，包括主干道、支路、高速公路等不同級別的道路，以及車道數(shù)、車道寬度、道路幾何形狀等參數(shù)。交通節(jié)點(diǎn)是道路網(wǎng)絡(luò)中的重要交叉點(diǎn)，包括交叉口、環(huán)島、立交橋等，連接不同道路段之間的交通流動。路段是道路網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)路段，用于描述道路起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的特定路段。

1.2 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)和原則

交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是通過合理設(shè)計(jì)和調(diào)整，提高交通系統(tǒng)的效率、安全性和可持續(xù)性。優(yōu)化的原則是在滿足城市交通需求的前提下，最大限度地減少交通擁堵、減少交通事故、提高交通運(yùn)輸?shù)男屎头?wù)質(zhì)量。具體的優(yōu)化目標(biāo)和原則包括以下方面。

第一，最小化交通阻塞：通過優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)的布局和容量，減少擁堵和交通阻塞現(xiàn)象，提高交通運(yùn)輸?shù)男?。第二，最大化交通安全：通過合理設(shè)計(jì)和管理交通節(jié)點(diǎn)、交叉口等，降低事故發(fā)生率，提高交通系統(tǒng)的安全性。第三，促進(jìn)可持續(xù)交通：通過優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，鼓勵可持續(xù)出行方式，如公共交通、非機(jī)動車，減少汽車的使用量，降低交通對環(huán)境的影響。第四，提高交通服務(wù)質(zhì)量：通過合理的路網(wǎng)布局和交通組織，提供更高效、便捷的交通服務(wù)，滿足人們的出行需求。

2 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法

進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化時，需要選擇適合的交通流模型和優(yōu)化算法進(jìn)行分析和決策。常用的交通流模型包括宏觀模型、微觀模型和混合模型。宏觀模型基于整體交通流的統(tǒng)計(jì)特征，可以對交通網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行進(jìn)行評估和優(yōu)化。微觀模型基于個體交通行為和車輛運(yùn)行過程，可以對交通網(wǎng)絡(luò)中具體路段和交叉口運(yùn)行進(jìn)行模擬和優(yōu)化?；旌夏Ｐ蛣t綜合了宏觀模型和微觀模型的優(yōu)點(diǎn)，可以更準(zhǔn)確地描述交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和交通流動。

優(yōu)化算法的選擇取決于問題的復(fù)雜性和求解效率。常見的優(yōu)化算法包括線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索等。線性規(guī)劃適用于簡單的優(yōu)化問題，可以通過線性方程組求解最優(yōu)解。整數(shù)規(guī)劃適用于具有離散決策變量的優(yōu)化問題，可以求解最優(yōu)的交通網(wǎng)絡(luò)布局和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索等啟發(fā)式算法適用于復(fù)雜的優(yōu)化問題，通過模擬生物進(jìn)化或物理退火過程搜索最優(yōu)解。

3 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化在城市交通規(guī)劃中的應(yīng)用

3.1 道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與布局優(yōu)化

3.1.1 道路網(wǎng)格化和網(wǎng)格調(diào)整

在道路網(wǎng)格化時，需要考慮以下幾個因素。

第一，道路等級和功能。不同道路等級和功能對交通流的組織和分配有著不同的影響。主要干道和高速公路通常承擔(dān)主要交通流量，而次要道路和小街巷則提供交通連接和街區(qū)內(nèi)部通行。第二，交通需求和流量分布。城市不同區(qū)域的交通需求和流量分布不均。繁華商業(yè)區(qū)、居住區(qū)、工業(yè)區(qū)等都可能存在不同的交通需求和流量密集區(qū)域。第三，土地利用和規(guī)劃。道路網(wǎng)格化應(yīng)該與城市的土地利用和規(guī)劃相協(xié)調(diào)。不同用途的土地、建筑物和設(shè)施需要與道路網(wǎng)格相匹配，確保交通流能夠順暢地在網(wǎng)絡(luò)中流動。

在進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整時，需要考慮以下幾個方面。

第一，道路容量和流量平衡。通過調(diào)整道路的寬度、車道數(shù)和交叉口設(shè)置等，提高道路的通行能力，確保道路容量與流量之間平衡。合理的容量和流量平衡可以避免擁堵和交通瓶頸的發(fā)生。第二，路段連接和交叉口設(shè)計(jì)。優(yōu)化路段之間的連接方式和交叉口設(shè)計(jì)，減少轉(zhuǎn)彎沖突和交通沖突，提高交通流的通行效率和安全性。第三，網(wǎng)格單元大小和形狀。根據(jù)交通需求和流量分布，調(diào)整網(wǎng)格單元的大小和形狀，使得交通流在網(wǎng)格內(nèi)能夠更加順暢地流動。合理的網(wǎng)格單元大小和形狀可以減少車輛行駛距離和時間，提高交通效率[2]。第四，道路交叉口信號控制。對于擁擠和繁忙的交叉口，可以考慮使用信號控制來調(diào)節(jié)交通流量。通過合理的信號配時和交叉口的信號燈設(shè)置，可以優(yōu)化交通流的通行順序和流量分配，減少交通阻塞和延誤。

3.1.2 路段容量和流量平衡優(yōu)化

路段容量和流量平衡優(yōu)化是為了提高道路網(wǎng)絡(luò)的交通效率和流暢性。在進(jìn)行路段容量和流量平衡優(yōu)化時，需要考慮以下幾個方面。

第一，道路幾何特征優(yōu)化。道路的幾何特征包括道路寬度、車道數(shù)、車道寬度等，這些參數(shù)直接影響道路的通行能力。通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化道路的幾何特征，可以提高道路的通行能力，增加車輛流量的容納量。

第二，信號控制優(yōu)化。信號控制是調(diào)節(jié)道路交通流量的重要手段，通過合理設(shè)置信號燈的時序和周期，可以優(yōu)化交通流分配，減少交通阻塞和擁堵。采用智能化的信號控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)時交通數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高信號控制的精度和效果。

第三，路段流量監(jiān)測和調(diào)控。通過安裝交通流量監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測道路的交通流量情況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)控交通流量，通過引導(dǎo)交通流向、調(diào)整車道分配等措施，平衡各個路段的交通流量，避免某些路段出現(xiàn)過載和擁堵的情況。

第四，路段容量評估和擴(kuò)容規(guī)劃。定期進(jìn)行路段容量評估，根據(jù)交通需求和流量預(yù)測，制訂合理的擴(kuò)容規(guī)劃。通過增加車道數(shù)、拓寬道路等措施，提高道路的容量，以適應(yīng)未來的交通流量增長。

3.2 公共交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.2.1 公交線路規(guī)劃和站點(diǎn)布局優(yōu)化

在公交線路規(guī)劃時，需要綜合考慮以下幾個方面。

第一，乘客需求分析。通過乘客出行調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，了解乘客的出行模式、目的地和出行量，確定不同區(qū)域的交通需求，有助于確定線路的起始點(diǎn)、終點(diǎn)和線路長度。

第二，區(qū)域特點(diǎn)和交通需求?？紤]城市的地理、經(jīng)濟(jì)和人口分布特點(diǎn)，以及各個區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃和交通需求[3]。重點(diǎn)考慮人口密集區(qū)、商業(yè)中心、學(xué)校和醫(yī)院等重要區(qū)域，確保公交線路能夠覆蓋這些關(guān)鍵區(qū)域。

第三，道路網(wǎng)絡(luò)和交通流量。評估城市的道路網(wǎng)絡(luò)情況，包括道路容量、道路等級和道路擁堵情況。結(jié)合交通流量數(shù)據(jù)，選擇適合的道路和道路段，確保公交線路通行暢順。

第三，站點(diǎn)設(shè)置和布局。根據(jù)乘客的出行需求和交通流量分布，合理設(shè)置公交站點(diǎn)。站點(diǎn)之間的距離應(yīng)適中，以方便乘客步行和換乘，減少出行時間。同時，還要考慮站點(diǎn)的容量和設(shè)施，以提供舒適的候車環(huán)境。

第四，換乘的便利性。在線路規(guī)劃中，要注意考慮換乘點(diǎn)和換乘方式。合理設(shè)置換乘站點(diǎn)，提供足夠的換乘時間和便利的換乘條件，以方便乘客出行，減少換乘時間。

3.2.2 公交換乘設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在進(jìn)行公交換乘設(shè)計(jì)和優(yōu)化時，需要考慮以下幾個方面。

第一，選擇合適的位置作為換乘節(jié)點(diǎn)。通常選擇在重要的交通樞紐、商業(yè)中心、居民區(qū)或其他交通需求密集的區(qū)域。這些位置通常是交通流量較大且交通方式多樣的地方，以滿足乘客的出行需求[4]。第二，根據(jù)乘客的換乘需求和出行模式，設(shè)計(jì)合理的換乘設(shè)施布局。包括設(shè)置換乘站臺、換乘通道、換乘指示牌、導(dǎo)向標(biāo)識等，以引導(dǎo)乘客準(zhǔn)確地找到換乘位置，提供清晰的換乘指引。第三，合理安排換乘時間。考慮不同線路的發(fā)車間隔和運(yùn)行時間，以便乘客能夠順利完成換乘。換乘時間應(yīng)充分考慮乘客的步行距離和換乘時間，避免過長的等候時間或換乘時間過短。第四，為了提供良好的乘車體驗(yàn)，換乘設(shè)施應(yīng)考慮乘客的舒適性。例如，在換乘站臺提供座椅、遮陽設(shè)施和避雨設(shè)施，確保乘客在等候過程中能夠得到舒適的環(huán)境。第五，為乘客提供準(zhǔn)確的換乘信息和指引。通過在換乘節(jié)點(diǎn)設(shè)置信息屏幕、導(dǎo)向標(biāo)識、語音廣播等方式，以便乘客能夠了解到達(dá)目的地的最佳換乘路線和時間。

3.2.3 公交優(yōu)先策略和調(diào)度優(yōu)化

公交優(yōu)先策略和調(diào)度優(yōu)化是通過交通管理措施和技術(shù)手段，提高公交車輛的運(yùn)行效率和行駛速度[5]。公交優(yōu)先策略包括專用公交道、公交專用信號、公交車道等，可以使公交車輛優(yōu)先通行，減少其他車輛引起的延誤。調(diào)度優(yōu)化則是通過合理的公交車輛調(diào)度和運(yùn)營計(jì)劃，提高公交車輛的班次頻率，減少等候時間，提供更加可靠的公交服務(wù)。通過公交優(yōu)先策略和調(diào)度優(yōu)化，可以提高公交的運(yùn)行效率和乘客的出行便利。

3.3 多模式交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.3.1 非機(jī)動車和步行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化

非機(jī)動車和步行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化旨在改善城市中非機(jī)動車和步行者的出行環(huán)境，提供安全、便捷和連貫的通行條件。以下是具體的優(yōu)化措施和方法。

第一，在城市規(guī)劃和道路設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮非機(jī)動車和步行者的需求。優(yōu)化非機(jī)動車和步行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，包括規(guī)劃和建設(shè)騎行道、人行道、步行街等非機(jī)動車和步行者的專用通道。這些通道應(yīng)設(shè)計(jì)合理，寬度適宜，能夠容納大量的非機(jī)動車和步行者，并與其他交通設(shè)施相連，形成便捷的交通網(wǎng)絡(luò)。

第二，為了提高非機(jī)動車和步行者的安全性，需要在道路上設(shè)置相應(yīng)的安全設(shè)施和交通標(biāo)識。例如，設(shè)置人行橫道、人行天橋、人行地下通道等，確保行人安全過街；設(shè)置非機(jī)動車道的分界標(biāo)線、導(dǎo)向標(biāo)識和交通信號燈，引導(dǎo)非機(jī)動車和汽車分流、交叉行駛。

第三，優(yōu)化非機(jī)動車和步行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，還包括合理設(shè)置非機(jī)動車停車設(shè)施和步行者換乘設(shè)施。在重要的交通節(jié)點(diǎn)、商業(yè)區(qū)和居民區(qū)周邊，設(shè)置充足的自行車停車架、共享單車停放點(diǎn)、步行者換乘點(diǎn)，方便非機(jī)動車和步行者停車和換乘。

3.3.2 公共交通與非機(jī)動車接駁優(yōu)化

公共交通與非機(jī)動車接駁優(yōu)化旨在提高乘客在使用公共交通時，與非機(jī)動車接駁的便利性和效率[6]。以下是具體的優(yōu)化措施和方法。

第一，在公交站點(diǎn)周圍合理設(shè)置非機(jī)動車的停車設(shè)施，如自行車停車架、共享單車停放點(diǎn)等。這些設(shè)施應(yīng)位于公交站點(diǎn)附近，方便乘客停放自行車、共享單車等非機(jī)動車，并能夠輕松與公交系統(tǒng)接駁。

第二，為方便乘客進(jìn)行公共交通與非機(jī)動車的換乘，可以在公交車站附近設(shè)置交通換乘設(shè)施，如非機(jī)動車道與公交車道銜接、步行道與公交車站銜接等，使乘客方便地從非機(jī)動車上下車，快速出入公交車站。

第三，通過信息共享和整合，提供準(zhǔn)確、實(shí)時的公共交通和非機(jī)動車信息，方便乘客出行規(guī)劃和接駁，包括公交線路和站點(diǎn)信息、非機(jī)動車停車位的實(shí)時信息、換乘指引和路線規(guī)劃等。乘客可以通過手機(jī)應(yīng)用程序、電子顯示屏、路邊標(biāo)識等渠道，獲取所需的信息。

4 結(jié)語

綜上所述，交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化能夠?yàn)槌鞘薪煌ㄒ?guī)劃提供重要的方法和手段，為構(gòu)建宜居、綠色、智慧的城市交通環(huán)境，提供科學(xué)的支持和指導(dǎo)。通過合理規(guī)劃道路布局、交叉口設(shè)計(jì)和公共交通網(wǎng)絡(luò)，以及優(yōu)化非機(jī)動車和步行網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)高效運(yùn)行、多模式交通整合和可持續(xù)發(fā)展，為民眾提供更加便捷、安全和環(huán)保的出行方式。